Який сенс таксономії вірусів? - Міжнародна наукова рада

Обмін знаннями та залучення громадськості мають вирішальне значення для пошуку рішень каскадних криз, спричинених пандемією SARS-CoV-2. Ця стаття є частиною серії блогів ISC, мета якої висвітлити деякі з останніх публікацій, ініціатив та висновків членів ISC, пов’язаних з COVID-19.

«Часто відстоюється думка, що наука повинна будуватися на чітких і чітко визначених базових поняттях. Насправді жодна наука, навіть найточна, не починається з таких визначень. Справжній початок наукової діяльності полягає скоріше в описі явищ, а потім у переході до їх групування, класифікації та співвіднесення».
Фрейд С. (1915). «Інстинкти та їх перипетії» в: Стандартне видання повного комплекту психологічних праць Зигмунда Фрейда (Том 14), Стрейчі Дж., редактор. (Лондон: The Hogarth Press).

Таксономія – дисципліна класифікації та іменування речей – є основою всіх наук. Це було визнано Зигмундом Фрейдом (1856—1939) як психологічний систематик, Дмитром Менделєєвим (1834—1907) як хімічним систематиком і Віктором Гольдшмідтом (1888—1947) як систематиком мінералів, і сьогодні вчені ЦЕРН визнають таксономістом. фізики елементарних частинок. Однак для більшості людей систематика стосується біології – організмів, які розмножуються та еволюціонують. Ця систематика зазвичай включає рослини, тварин і бактерії, але віруси також належать до цієї категорії. Справді, через їхню вражаючу різноманітність і велику кількість віруси є одночасно викликом і можливістю для таксономістів.

«Еволюційні механізми пояснюють єдність і різноманітність усіх видів на Землі».
Reece JB та ін. (2014). Глава 1. Еволюція, теми біології та наукові дослідження. У біології Кемпбелла (10^th ред.), Кемпбелл Н. та ін., ред. (Бостон: Пірсон).

Чому таксономія вірусів важлива?

Таксономія вірусів важлива, оскільки дозволяє помістити клінічні, біологічні та еволюційні особливості вірусу в структуру, яка вміщує та з’єднує всі віруси. Розуміння, яке це приносить, має величезну практичну цінність. Наприклад, коли вірус потрапляє в організм людини з резервуара тварин, таксономічна перспектива ставить нас у набагато кращу позицію, щоб зрозуміти, як він виник, з якого господаря він виник, як він реплікується, як викликає захворювання та як люди реагують. бути зараженим. В результаті ми маємо набагато кращі можливості для розробки методів лікування та виробництва вакцин.

Показовим прикладом є новий коронавірус, коронавірус важкого гострого респіраторного синдрому 2 (SARS-CoV-2), який наразі спричиняє пандемію COVID-19. Таксономія допомогла нам зрозуміти, що природним господарем цього вірусу, швидше за все, є кажани і що його генетичний матеріал (геном) еволюціонував шляхом зрощення різних батьківських геномів (генетична рекомбінація). Крім того, знаючи, що новий коронавірус тісно пов’язаний з коронавірусом SARS, який з’явився у 2003 році, стало можливим перепрофілювання противірусних препаратів, таких як ремдезивір, для лікування COVID-19.¹ і слідувати прикладу того, що моноклональні антитіла, вироблені з клітин пацієнта, інфікованого коронавірусом 2003 року, можуть бути корисними для лікування пацієнтів з COVID-19 у 2020 році.².

У грудні 2019 року в китайському Ухані з’явився новий коронавірус. Вірус тісно пов’язаний з коронавірусом SARS 2003 року, тому його назвали коронавірусом важкого гострого респіраторного синдрому 2. SARS-CoV-2 є збудником коронавірусної інфекційної хвороби 2019 року (COVID-19). На кінець червня 2020 року SARS-CoV-2 заразило понад 10 мільйонів людей у всьому світі і понад 500,000 19 смертей від COVID-XNUMX.

Як класифікуються віруси?

Як і інші організми, віруси класифікуються на групи, які називаються таксонами відповідно до їхньої подібності та відмінності. Найнижчий ранг — вид. Вони збираються в роди, і так далі в сім’ї, порядки, класи, типи, королівства та царства. Загалом існує ієрархічна структура з 15 рангів, яка охоплює весь спектр різноманітності вірусів, що розтягується на еволюційний проміжок часу від моменту появи вірусів до наших днів.³.

Класифікація вірусів традиційно є описовою системою, заснованою переважно на зовнішніх (фенотипічних) ознаках – розмірі та формі вірусної частинки, діапазоні інфікованих хазяїв та захворюваннях, пов’язаних із інфекцією. З винаходом все більш потужних технологій секвенування ДНК класифікація вірусів поступово стала галуззю еволюційної науки. Ця зміна прискорилася в останні роки через високопродуктивне секвенування зразків навколишнього середовища (метагеноміка), що призвело до виявлення дивовижного ряду вірусів. Завдяки цим досягненням і тому факту, що ми нічого не знаємо про ці віруси, крім їх геному, групування вірусів на основі взаємозв’язків між їх білковими та нуклеїновими кислотними послідовностями (філогенетика) стало ключовим засобом визначення таксонів.

Залишається багато запитань – наприклад, як створені нами таксони пов’язані з популяціями вірусів, які ми бачимо в природі, і чи можемо ми достовірно реконструювати ранню еволюційну історію вірусів, використовуючи лише інформацію про послідовність? Тим не менш, очевидно, що ми вступаємо в нову еру, яка допоможе нам краще зрозуміти всю сукупність вірусів, їх складну взаємодію з господарями та їх роль у природних екосистемах.

«Таксономію іноді описують як науку, а іноді як мистецтво, але насправді це поле битви».
Брайсон Б. (2003). У короткій історії майже всього (Нью-Йорк, The Broadway Press).

Як називаються таксони вірусів?

У поєднанні з хорошою системою іменування таксонів класифікація вірусів забезпечує потужну мову спілкування – у класі, в лабораторії, у лікарні, з регулюючими органами та з громадськістю. Міжнародний комітет з таксономії вірусів (ICTV) відповідає за розробку цієї системи. Існують правила іменування таксонів, зокрема закінчення, що використовуються для позначення різних рангів і формат, у якому записуються назви. Назви інших таксонів, крім видів, були стандартизовані протягом тривалого часу, і ICTV зараз активно прагне стандартизувати назви видів, щоб мати справу з величезною кількістю нещодавно відкритих вірусів, які доведеться класифікувати та назвати в майбутньому. Ця номенклатура, швидше за все, складатиметься з двох слів (біноміального числа) – назви роду, за яким слідує епітет виду – як вперше описав Карл Лінней (1707—1778) майже 300 років тому.

Одне можна сказати точно – таксономія вірусів триватиме хвилюючі пристрасті та інтенсивні дебати!

Як називаються віруси та вірусні захворювання?

На відміну від таксонів вірусів, які називає ICTV, назви вірусів вибирають експерти, які відкривають і досліджують віруси. Вони дійсні лише в тому випадку, якщо вони прийняті та використовуються відповідною спільнотою. Немає правил, які б регулювали це, але, як правило, віруси отримують свої назви від своїх господарів, місця, де вони були вперше виділені, проявів хвороб, які вони викликають, їх фенотипових характерів або комбінацій цих речей. Дивно, що, незважаючи на відсутність регулювання, вірусологи, здається, працюють інтуїтивно в рамках неписаного набору правил, використовуючи обмежену кількість моделей імен, які дозволяють відрізнити вірус, вид вірусу та хворобу один від одного. Іноді це працює добре – вірус вітряної віспи відноситься до виду Вірус альфагерпесу людини 3 і викликає вітряну віспу (хоча це не вірус віспи). Іноді система менш успішна – вірус японського енцефаліту належить до виду Японський вірус енцефаліту і викликає японський енцефаліт.

Назви нових вірусних захворювань також є досить випадковим процесом. Коли вірус заражає людей і викликає захворювання, Всесвітня організація охорони здоров’я (ВООЗ) рекомендує, щоб назви хвороб ґрунтувалися на симптомах хвороби, і, якщо вірус, який викликає захворювання, відомий, він повинен бути частиною назви. З іншого боку, назва не повинна включати географічні місця, імена людей, культуру, населення, промислові чи професійні посилання або терміни, які можуть викликати невиправданий страх. Якщо ці рекомендації не дотримуються, ВООЗ сама може видати тимчасову назву, яка, як правило, буде підтверджена пізніше в Міжнародній класифікації хвороб.

«Попереджений, озброєний, бути готовим – це половина перемоги».
Мігель де Сервантес Сааведра (1856). «Пригоди Дон Кіхота де ла Манча». У Penguin Classics; Видання Rev Ed, 2003 р. (Лондон: Penguin Books).

Перспектива

Віруси мають малий геном, короткий час генерації і, принаймні, у випадку РНК-вірусів, ферменти реплікації, які схильні робити помилки. Отже, вони розвиваються набагато швидше, ніж інші організми. Це дає унікальні можливості для вивчення еволюції популяцій циркулюючих вірусів (мікроеволюція), а також еволюції вірусів за набагато більш тривалі періоди (макроеволюція). Подібно до того, як віруси висвітлили широкі аспекти біології, наприклад, дозволяючи нам аналізувати роботу клітин, які вони заражають, вони також дають можливість перевірити таксономічні методи, які використовуються в біології, включаючи підходи до вирівнювання послідовностей, передбачення функцій. дуже дивергентних білків та оцінка надійності програм філогенетичної реконструкції, що включають великі набори даних. Майбутні розробки покращать інтеграцію вірусу та клітинних таксономічних систем, а також мають далекосяжний вплив на мікробні, рослинні, ветеринарні, медичні, обчислювальні та екологічні науки. Нарешті, очевидно, що ми більше не можемо применшувати соціальний, економічний та особистий вплив епідемій і пандемій, які були і будуть спричинятися вірусами.

Стюарт Сідделл, віце-президент ICTV
Ендрю Девісон, президент ICTV
www.ictv.global

посилання

1. Pruijssers AJ, George AS, Schäfer A, та ін. Ремдезивір потужно інгібує SARS-CoV-2 у клітинах легенів людини та химерний SARS-CoV, що експресує РНК-полімеразу SARS-CoV-2 у мишей. Препринт. bioRxiv. 2020;2020.04.27.064279.
2. Пінто Д., Парк Ю., Бельтрамелло М. та інші Перехресна нейтралізація SARS-CoV-2 за допомогою людського моноклонального антитіла SARS-CoV. природа (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2349-y
3. Горбаленя А.Є., Крупович М., Мушегян А. та інші Нова сфера таксономії вірусів: поділ віросфери на 15 ієрархічних рангів. Nat Microbiol 5, 668-674 (2020)

Подяки

Фотографія Зигмунда Фрейда: Макс Хальберштадт, 1921, суспільне надбання, Бібліотека Конгресу.
Ілюстрація коронавірусу: 2020, Public Domain, Центри контролю та профілактики захворювань, США.
Приклади таксономії вірусів. 2020, Авторські права авторів. Може використовуватися за ліцензією CC-BY-4.0, з посиланням на посилання 3.
Ілюстрація Девіда С. Гудселла, RCSB Protein Data Bank; doi: 10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-019